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1、传感器的标定与选用,传感器通用术语(GBT 76652005)对校准(标定)(calibration)的术语规定如下：在规 定的条件下，通过一定的试验方法记录相应的输入输出数据，以确定传感器性能的过程。 任何一种传感器与所有的检测仪表一样，在设计、制造、装配后，都必须按照设计指标进行 严格的一系列试验，以确定其实际的性能指标。,项目十,传感器的标定与选用,经过维修或使用一段时间后(我国计量法规定 一般为1年)，也必须对其主要技术指标进行校准试验，以检验它是否达到原设计指标，并最后确定其基本性能是否达到使用要求。 通常，在明确输入输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具对传感器进行标度的
2、过程称之为标定；而将传感器在使用过程中或储存后进行性能复测的过程称之为校准。校准与标定的内容和方法基本上是相同的。,传感器的标定与选用,标定(校准)的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、压力、位移等)作 为输入量，输入给待标定(校准)的传感器，建立传感器输出量与输入量之间的对应关系，然后 将传感器的输出量与输入的标准量作比较，由此获得一系列标定(校准)数据或曲线，同时确定 出不同使用条件下的误差关系。,传感器的标定与选用,有时输入的标准量是利用另一标准传感器检测而得，这时的 标定(校准)实质上是待标定(校准)传感器与标准传感器之间的比较，从而确定所标定传感器 的误差范围及性能是
3、否合格。工程测量中的传感器标定(校准)，应在与其使用条件相似的环 境下进行。为能获得高的标定(校准)精度，应将传感器及其配用的电缆(尤其如压电式、电容 式传感器等)、放大器等构成的测试系统一起标定(校准)。,传感器的标定与选用,对标定(校准)设备的要求如下：为了保证标定的精度，产生输入量的标准设备(或标准传 感器)的精度应比待标定(校准)的传感器高一个数量级(至少要高13以上)，并符合国家计量 量值传递的规定。同时，量程范围应与被标定(校准)的传感器的量程相当。性能稳定可靠，使 用方便，能适应多种环境。,传感器的标定与选用,传感器标定系统的输入有静态输入和动态输入两种，因此，传感器的标定可分为
4、静态标定 和动态标定两种。由于各种传感器的原理、结构不相同，所以标定的方法也有一些差异。 任务一传感器的标定与校准,一、传感器的静态标定,静态标定的目的是在静态标准条件下，即在没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就 是被测量)，环境温度一般为(205)，相对湿度不大于85RH，气压为(101 3087 988)Pa 等条件下，确定传感器(或传感系统)的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。,一、传感器的静态标定,传感器的静态标定系统一般由以下几部分组成。 被测物理量标准发生器，如测力机、活塞压力计、恒温源等。 被测物理量标准测试系统，标准力传感器、压力传感器、量块、标准热电偶等。
5、 待标定传感器所配接的信号调理器和显示器、记录仪等，所配接仪器精度应是已知的。,2传感器静态特性标定的步骤,将传感器和测试仪器连接好，将传感器的全量程(测量范围)分成若干个等间距点，一 般以传感器全量程的10为间隔。 根据传感器量程分点的情况，由小到大、逐点递增地输入标准量值，并记录与各点输入 值相对应的输出值。 将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录与各点输入值相对应的输出值。,2传感器静态特性标定的步骤,按步骤、所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出输 入测试数据用表格的形式列出或画成曲线。 对测试数据进行必要的处理。根据处理结果，则可确定传感器相关的静态特性指标。
6、,3力传感器的静态标定,(1)所用的标定设备 1)测力砝码。 各种测力砝码是最简单的力标定设备。我国基准测力装置是固定式基准测力机，它实际 上是由一组在重力场中体现基准力值的直接加荷砝码(静重砝码)组成。图101所示为 一种杠杆式砝码测力标定装置，这是一种直接用砝码通过杠杆对待标定的传感器加力的标定装置。,测力砝码,1支架；2待标定传感器； 3杠杆；4砝码,图101杠杆式砝码测力标定装置,测力砝码,图102所示则是一种液压式测力机工作原理图，其中，砝码经油路把力作用在被检测的力传 感器上，这种结构的测力计量程很大，有200600kN和155MN等规格。,图102液压式测力机工作原理图,1活塞缸
7、；2工作活塞；3被测定的 力传感器；4砝码；5加力活塞； 6测力气压缸；7导管,2)拉压式(环形)测力计。,用环形测力计作为标准的推力标定装置参见图103。它由液压缸产生测力，测力计的弹 性敏感元件为椭圆形钢环，环体受力后的变形量与作用力呈线性关系，用它或标准力传感器读 取所施加的力值。,拉压式(环形)测力计,环式测力计可有较高精度，图104显示了一只带杠杆放大机构和百分表的 测力计结构示意图。承压座受力后，测力环变形，顶杆推动杠杆向上移动，经杠杆放大后，由百 分表读出测力环的变形量。此外，还有用光学显微镜读取测力环变形量的标准测力计。如以 光学干涉来测量标准测力环的变形，并用微机处理测量结果
8、，则精度可更高,拉压式(环形)测力计,1待标定的传感器；2测力计； 3液压活塞；4支架,图10-3用环形测力计的推力标定装置,图10-4带杠杆放大机构和百分表的测力计,1承压座；2百分表；3杠杆放大机构； 4测力环；5承压座,(2)力传感器的静态标定方法,以应变式测力传感器的标定为例。将待标定的应变式测力传感器安放到标定设备上。图105所示 为应变式测力传感器静态标定系统图。标准力由测力机产生，高精度稳压源经精密 电阻箱衰减后向传器提供稳定的供电电压，其值 由数字电压表2读取，,图105应变式测力传感器静态标定系统图,力传感器的静态标定方法,传感器的输出电压由 另一数字电压表1指示。 静态标定
9、系统的关键在于被测非电量的标准发生器及标准测试系统。它是由杠杆式砝码标定装置、液压式测力机或基准测力机产生标准力。标定时，把力传感器安放在标准测力设备 上加载(见图104)，把被标定传感器接入标准测量装置后，先超负荷加载20次以上，超载量为 传感器额定负荷的120150。,方法力传感器的静态标定,然后，按额定负荷的10为间隔分成若干个等间距点，对 传感器正行程加载和反行程卸载进行测试。这样，多 次试验经微机处理，即可求得该传感器的全部静态特 性，如线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。,方法力传感器的静态标定,在无负荷条件下对传感器缓慢加温或降温一定 的度数，则可测得传感器的温度稳定性和温度误差系
10、数。对传感器或试验设备加上恒温罩，则可测得零点 漂移。如施加额定负荷，当温度缓慢变化时，可测得 灵敏度的温度系数；在温度恒定的条件下，加载若干 小时，则可测得传感器的时间稳定性。,(3)实例,以对普通压力传感器进行标定测试为例。有一普通压力传感器测量范围为016MPa， 精度等级为15级的，测试结果如表 101所列，判断该传感器是否合格。,表101压力传感器的测试数据及其数据处理结果,被标定传感器读数MPa0004081216最大误差 标准表上行程读数MPa00000386079012101596 标准表下行程读数MPa00000406080912151596 标准表上、下行程读数回程误差MP
11、a000000200019000500000020 标准表上、下行程读数平均值MPa00000395080012121595 绝对误差MPa000000050000-00120005-0012,压力传感器的测试数据及其数据处理结果,被标定传感器的最大引用误差(从绝对误差和上下行程读数之差中选取绝对值最大者作 为max，来求传感器的最大引用误差)为 maxmaxPFS1000-020161001-25 所以，该压力传感器满足15级精度等级的合格要求。式中：pFS为压力表的量程。,4温度传感器的静态标定,以工业用热电偶的分度检定为例。按照热电偶的国家计量检定规程工作用廉金属热电 偶检定规程(JJG
12、 3511996)规定介绍以下内容。,(1)所用的标定设备,1)检定炉及配套的控温设备。在检定3001600温度范围的工业热电偶时，使用 卧式检定炉和立式检定炉作为主要检定设备，如图106和图10-7所示。控温设备应满足检 定要求。,图106卧式检定炉结构,1外壳；2保温层； 3外瓷管； 4加热丝；5加热丝瓷管； 6内瓷管；7盖板,检定炉及配套的控温设备,检定300以下工业热电偶时，使用恒温油槽、恒温水槽和低温恒温槽作为检定设备。检 定时油槽温度变化不超过0-1(在有效工作区域内温差小于0-2)。,图107立式检定炉结构,1上盖；2，6石棉板；3外管；4内管； 5下盖；7炉盖；8炉壳；9电阻丝
13、； 10绕丝管；11保温层；12支架,2)多点转换开关,采用比较法检定工业用热电偶时，常常需要同时检定几支热电偶，因 此，需要在测量回路中连接多点转换开关。检定贵重金属热电偶的多点转换开关寄生电势应 不大于0-5V，检定廉价金属热电偶的多点转换开关的寄生电势应不大于1V。 使用多点转换开关时应当注意以下事项。,多点转换开关,连接转换开关的导线应用单芯屏蔽线，以减小寄生电势，并要求从同一卷导线上截取， 每对导线应从一根导线中间剪断，并将此端与热电偶连接。 多点转换开关的电刷与接点应浸入变压器油中，以保持温度恒定均匀。 多点转换开关的安装或使用一段时间后，应逐点测量寄生电势，确定是否符合要求。,3
14、)电测仪表,检定工业用热电偶常用的电测仪表有直流电位差计和直流数字电压表。 其最小分辨力不超过1V，测量误差不超过0-02。 如果选择直流电位差计，其准确度应不低于0-02级，最小步进值不大于1V。根据被检 热电偶热电动势的大小来选择电位差计，所选电位差计既要保证能测量被检热电偶产生的最 大热电动势，又要使电位差计的测量第一盘得到利用。,电测仪表,如果选择直流数字电压表，需根据该数字电压表的允许误差计算公式计算出热电偶测量 上限的绝对误差，与手动直流电位差计在同样测量值情况下的绝对误差进行比较。若数字电 压表计算所得的绝对误差小于或等于电位差计的绝对误差，则该数字电压表可以代替直流电 位差计作
15、为热电偶热电动势测量仪器；若算得的数字电压表的绝对误差大于直流电位差计的 绝对误差，则不能使用该数字电压表。,4)其他设备,热电偶焊接装置、退火炉和通电退火装置，050最小分度值为0-1 的水银温度计等。,(2)所用的标准器,检定3001600温度范围的工业热电偶，主要的标准器有：一等、二等标准铂铑10铂热电偶；一等、二等标准铂铑13铂热电偶；一等、二等标准铂铑30铂铑6热电偶等。检定I 级热电偶时，必须采用一等标准铂铑10铂热电偶。 检定300以下热电偶可采用的标准器有-30+300二等标准水银温度计、二等 标准铂电阻温度计、二等标准铜康铜热电偶或同等精度的测温仪表。,(3)温度传感器的静态
16、标定方法,1)双极法检定原理及注意事项。 双极法是将标准热电偶和被检热电偶捆扎成束后，置于检定炉内同一温度下，用电测设备 在各个检定点上分别测量出标准热电偶和被检热电偶的热电动势，并进行比较，计算出相应热 电动势值或误差的一种方法。,1)双极法检定原理及注意事项,热电偶捆扎时，应注意将标准热电偶套上高铝保护管，与套好高铝绝缘瓷珠的被检热电偶 的测量端对齐，用直径为0-10-3mm的铂丝捆扎。若被检热电偶为廉价金属热电偶，标准 铂铑10铂热电偶应放入石英保护管内，可用细镍铬丝捆扎成圆形一束，其直径不大于20mm。 捆扎时应将被检热电偶的测量端围绕标准热电偶的测量端均匀分布一周，并处于垂直标准热 电偶同一截面上。,1)
